武器研發路上的“攔路虎”

周梁 楊四華

盡管高超音速武器的未來前景廣闊，但由于涉及多項高新技術，各國在高超音速武器的研發過程中一路艱辛，代價不菲。2001年，日本停止了高超音速飛機項目HOPE-X。美國HTV-2B高超音速技術載具連續失敗、X-51A型高超音速飛行器多次墜毀。這些實例充分表明，在高超音速武器項目的研發上，地基動能武器如電磁炮、高超音速防空導彈等項目相對成功率高一些，但各國在高超音速飛行器研發的道路上都遇到了嚴重的技術阻礙。

前俄羅斯航天司令部戰役局局長維克托·斯塔魯少將曾評論道：“美國的高超音速飛行器，從技術觀點上看是不大可信的。”那么，高超音速飛行器在技術上都需要攻克哪些“攔路虎”呢？

新型發動機技術難以突破

盡管與火箭發動機相比，沖壓發動機具有效率更高、航程更遠和可攜載荷更多等優勢，但沖壓發動機研制的技術難度很大。

首先，限制其使用的一個基本條件是，只有當飛行器速度超過3馬赫以上時，沖壓噴氣發動機才能開始工作。這就意味著提速之前需要通過其他手段使飛行器達到3馬赫以上的速度，高超音速飛行器才能“奪命狂奔”。

其次，維持高超音速飛行條件下的穩定燃燒十分困難。美國已開展了多年的沖壓發動機技術攻關工作，但飛行器在高超音速飛行中仍會出現許多問題。2012年8月，美國X-51A型高超音速飛行器第三次飛行測試失敗，主要原因是它被載機B-52轟炸機在高空發射后，火箭助推器雖把飛行器速度提高到4.8馬赫，但吸氣式超燃沖壓發動機卻沒有工作。X-51A型高超音速飛行器目前還只能一次性使用，如果想要發展由機場起降、可重復使用的高超音速飛行器，則需要發展技術更為復雜的組合發動機，如渦輪式組合循環推進系統，實現大速度跨度（從0至5馬赫以上）飛行，可想而知技術難度該有多大。因此，目前尚處于研制階段的主流高超音速飛行器，如美國的X-51、美國陸軍AHW項目等，只能采取由其他平臺掛載到高空再投放的試飛方式。各國目前尚無法開發出自主起降能力的高超音速飛行器。

值得關注的是，近年來國際航天界為高超音速飛行研究了一種神奇的推進方式，即“脈沖爆炸引擎”。它可以通過連續爆震燃燒產生巨大的震波來推進飛行器。這種引擎的優點在于結構較簡單，沒有任何風扇葉片、轉軸之類的活動零件。這種推進方式有可能成為高超音速飛行器推進的解決方式。

氣動布局設計難以驗證

乘波體是一種全新的設計理念，主要利用超音速飛行時的前緣附體激波來產生升力，進行飛行。乘波體飛行器的氣動布局非常關鍵，因為其外形決定了激波模式，而激波模式又與航程密切相關。美國X-51A 型高超音速飛行器就采用了乘波體設計技術。這種設計技術目前仍然需要飛行試驗，以驗證是否需要進一步完善。通常，在設計航空器外形時，都必須先進風洞進行模擬氣流沖擊試驗。但由于目前尚無哪個國家的風洞能夠“造”出速度高達10馬赫的高超音速氣流，因此高超音速飛行器難以進行地面模擬試驗。盡管計算機模擬技術能輔助設計，但由于高空氣流環境未知因素過多，氣動布局方案只能邊試飛邊改進。

飛行器綜合設計難以調和

當飛行器以高超音速飛行時，會產生強烈的激波，激波與附面層之間產生相互干擾，在高超音速氣流駐點附近產生極高的溫度，使附近的氣體分解和電離，形成相當復雜的混合氣體。再者，地面風洞試驗目前難以達到10馬赫，這讓高超音速氣流研究成為非常復雜的難題。這不僅對飛行器平臺的綜合設計提出了挑戰，也給高超音速條件下的精確控制帶來了困難。美國的HTV-2高超音速飛行器在2010年和2011年的兩次實驗，先后因為飛控和激波擾動的問題，在滑行階段達到20馬赫之后就失控墜毀。

飛行器精確控制技術難以精準

實驗表明，飛行器以10馬赫以上的速度進行空中機動時，主要使用傾斜氣動襟翼控制姿態，一旦出現絲毫偏差，就會引發意外的氣動阻力，導致偏航，從而使飛行姿態進一步偏轉直至失控。因此，在高超音速條件下，需要具備非常精確和高度自主的控制技術。美國第二次HTV試驗失敗后，項目負責人曾檢討道：“此次試驗失敗的主要原因是沒有完全掌握對飛行器的有效控制”。

“熱障”挑戰難以克服

美國X-51A型高超音速飛行器首次試飛失敗，原因之一就是熱障導致噴管與機體連接處密封失效。飛行器以高超音速在大氣層飛行時，氣動加熱會使其表面達到極高的溫度，而高溫又能使飛機結構強度與剛度降低，破壞飛機的氣動外形，甚至引起災難性的顫振。美國在研制3倍音速的SR-71偵察機過程中就遇到了“熱障”的挑戰。后采用耐高溫的鈦合金、隔熱裝置等手段，才實現了3倍音速飛行的夢想。在5馬赫以上飛行時，飛行器表面如突出部、前部外緣處的溫度將升至500℃以上，這對飛行器結構和制造材料的熱防護提出了嚴峻挑戰；飛行達到20倍音速時，飛行器除了必須經受2000℃以上足以熔化鋼鐵的氣動加熱外，還要承受極高的壓力，為此必須開發出能承受高溫和高壓的特殊新材料。

盡管高超音速武器，特別是飛行器的研發困難重重，但事關爭奪全球軍事科技制高點，并能引領下一代戰爭形態的方向，因此，可以斷定，各國的高超音速武器項目一定還會繼續研發。研究人員普遍預計，類似美國X-51A型高超音速飛行器和射程約6000千米左右的高超音速巡航導彈，以及電磁炮等動能武器，要到2020年前后才能投入使用，而射程更遠的空基或地/海基高超音速巡航導彈要到2030年后才能發展成熟。